SiC-Al界面韌性的四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有較好的比強(qiáng)度、比模量、良好的韌塑性和熱穩(wěn)定性能及抗疲勞性能等，顯示出良好的應(yīng)用前景。界面是連接基體與增強(qiáng)體之間的“紐帶”，是兩者之間力學(xué)及其他功能(如導(dǎo)熱、導(dǎo)電、阻尼等特性)傳遞的“橋梁”，其構(gòu)造及其形成規(guī)律將直接影響復(fù)合材料最終的組織結(jié)構(gòu)和綜合性能。然而，至今尚沒有形成一個(gè)能準(zhǔn)確測(cè)定顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中界面結(jié)合性能的有效方法和技術(shù)，而不同的的界面結(jié)構(gòu)到底以何種方式影響界面結(jié)合性能也尚未得到深入的研究。

2、r>　　本文以金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用較為廣泛的SiCp-Al復(fù)合材料作為模型體系，選用與實(shí)際SiCp具有相同六方結(jié)構(gòu)的4H-SiC單晶基片和純鋁作為模型材料，對(duì) SiC表面進(jìn)行氧化、酸洗等處理，進(jìn)而與Al復(fù)合，制備含有單個(gè)SiC/Al復(fù)合界面的模型材料。采用四點(diǎn)彎曲這一定量測(cè)試方法直接測(cè)量SiC/Al復(fù)合界面的韌性，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)表征，系統(tǒng)地研究界面性能與界面結(jié)構(gòu)的相互關(guān)聯(lián)。
　　高溫氧化、酸洗工藝改善了 SiC表面形貌和結(jié)構(gòu)，并且改

3、變了SiC-Al復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)。經(jīng)三種表面處理后制備的復(fù)合材料，近界面處的Al主要為單晶，其位錯(cuò)密度較高。三種處理工藝下SiC/Al界面層的厚度存在明顯的差異：高溫氧化后界面層厚度>原始態(tài)界面層厚度>酸洗態(tài)界面層厚度，界面層主要成分為非晶態(tài)的Al2O3。
　　采用四點(diǎn)彎曲測(cè)試手段可以有效地測(cè)量不同基體-增強(qiáng)體界面的結(jié)合性能。合理的四點(diǎn)彎曲試樣尺寸對(duì)有效地表征復(fù)合材料界面斷裂性能十分重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選擇規(guī)格為30mm×3mm×1m

4、m樣品進(jìn)行四點(diǎn)彎曲測(cè)試，可得到較為理想的裂紋擴(kuò)展過程，從而反映真實(shí)的界面斷裂性能規(guī)律。測(cè)試結(jié)果表明S iC表面處理確實(shí)提高了界面的韌性：高溫氧化處理后的界面應(yīng)變能釋放率為3.92±0.11J/m2，而H F酸洗處理和未處理的界面應(yīng)變能釋放率分別為1.41±0.20J/m2和0.99±0.11J/m2。這一趨勢(shì)與文獻(xiàn)中采用相同SiC表面處理工藝制得的宏觀復(fù)合材料觀察到的宏觀力學(xué)性能趨勢(shì)（拉伸強(qiáng)度等）一致。
　　對(duì)界面斷口組織結(jié)構(gòu)分析

5、可知，原始態(tài)和酸洗態(tài)樣品斷口處SiC表面較為干凈；高溫氧化后S iC-Al復(fù)合材料新形成的斷口表面比較粗糙，可見高低不平的層狀物質(zhì)?？芍谒狞c(diǎn)彎曲測(cè)試過程中時(shí)，高溫氧化態(tài)復(fù)合材料的裂紋主要沿著Al/Al2Os一側(cè)的界面進(jìn)行擴(kuò)展。
　　綜上所述，相比于實(shí)際的SiCp-Al復(fù)合材料，本文中不同SiC表面處理方式制得的SiC-Al雙層模型材料在界面結(jié)構(gòu)和性能上的顯示了相似的演化趨勢(shì)。因此，四點(diǎn)彎曲方法對(duì)界面韌性的測(cè)量不僅能夠準(zhǔn)確地反映界